„Wenn man etwas findet, wäre das neue Physik!“

Welt der Physik: Frau Domcke, am 18. November 2025 haben LIGO, Virgo und KAGRA ihren vierten Gravitationswellenkatalog mit hunderten neuen Ereignissen vorgestellt – zehn Jahre, nachdem LIGO die erste Gravitationswelle beobachtet hat. Was enthält dieser Katalog?

Valerie Domcke

Valerie Domcke: Das Paradebeispiel für ein Gravitationswellenereignis sind eng umeinander kreisende und miteinander verschmelzende Schwarze Löcher. Die meisten der gemessenen Ereignisse fallen in diese Kategorie. Bei so einer Verschmelzung sind sehr große Massendichten und Geschwindigkeiten im Spiel. Da gibt es eine starke Emission von Gravitationswellen, also Verzerrungen in der Raumzeit, die sich dann ausbreiten. Durch den Nachweis dieser Wellen haben wir in den letzten zehn Jahren sehr viel über Schwarze Löcher gelernt – etwa über ihre Massen, Drehgeschwindigkeiten und so weiter.

Sie hingegen wollen Gravitationswellen für ganz andere Zwecke einsetzen, nicht wahr?

Ja, denn Gravitationswellen könnten noch viel mehr Informationen übermitteln – man kann theoretisch mit ihnen zum Beispiel das ganz frühe Universum untersuchen. Kurz nach dem Urknall war der ganze Raum für Licht und andere elektromagnetische Strahlung undurchsichtig, denn er war gefüllt mit geladenen Teilchen. Gravitationswellen konnten aber diese Ursuppe durchqueren. Sie liefern uns deshalb möglicherweise Informationen über diese Phase des Universums, die wir mit anderen Methoden nie bekommen könnten.

Wie entstanden denn in der Ursuppe überhaupt Gravitationswellen?

Jedenfalls nicht durch verschmelzende Schwarze Löcher! Vieles ist noch theoretisch, aber man geht davon aus, dass Gravitationswellen auch bei Prozessen entstehen, die zum Beispiel in Modellen der Teilchenphysik eine Rolle spielen.

Entwicklung des Universums vom Urknall bis heute

Können Sie ein konkretes Beispiel nennen?

Ein Beispiel sind die sogenannten Phasenübergänge. Wir wissen, dass es im frühen Universum Momente gab, in denen sich die fundamentalen Kräfte, die wir heute in der Natur beobachten, aus noch allgemeineren Kräften entwickelt haben. Der sogenannte QCD-Phasenübergang ist so ein Beispiel, der sich auf den Zustand der Materie auswirkte: Er markiert den Moment, an dem sich zum ersten Mal unter anderem Protonen und Neutronen aus freien Quarks formten. Protonen und Neutronen sind die Teilchen, die unsere Atomkerne bilden, und Quarks existieren seither nicht mehr in einem freien Zustand. Solche Phasenübergänge sollten theoretisch unter bestimmten Umständen auch Gravitationswellen verursachen.

Warum bringt ein solcher Übergang die Raumzeit zum „Zittern“?

Weil dabei sehr viel Energie im Spiel ist. Nehmen Sie zur Verdeutlichung einen Phasenübergang, den wir aus dem Alltag gut kennen: der Übergang von flüssig zu gasförmig. Wer einen Wasserkocher hat, weiß, dass das nicht still und heimlich passiert. Da entstehen Blasen, der ganze Prozess ist chaotisch und asymmetrisch. Etwas vereinfachend kann man sich Phasenübergänge im Universum als Zeitpunkte vorstellen, an dem „alles“ gekocht hat. Auch dabei entstanden Blasen, in denen sich ein Teil des Universums bereits in der neuen Phase befand. Wie im Wasserkocher dehnten sich diese Blasen aus und kollidierten miteinander – und erzeugten Gravitationswellen, die bis heute den Kosmos durchlaufen.

Und nach denen suchen Sie?

Ja – aber nicht mit Detektoren wie LIGO. Die Prozesse im frühen Kosmos sollten Gravitationswellen mit Frequenzen von Megahertz bis etwa 100 Gigahertz ausgesendet haben. Das ist deutlich höher als bei verschmelzenden Schwarzen Löchern. Dort gilt: je massereicher das Objekt, desto kleiner die Frequenz. LIGO misst zwar auch das Verschmelzen von leichteren Neutronensternen, die entsprechend höhere Frequenzen emittieren, aber selbst da reicht das Spektrum nur bis zu einigen zehn Kilohertz, also etwa einen Faktor 100 geringer. Gehen wir hingegen zu Gravitationswellen aus dem frühen Universum, dann bedeutet eine höhere Frequenz, dass sie aus einer früheren Zeit im jungen Universum stammen.

LIGO-Detektor

LIGO, Virgo und KAGRA suchen nach winzigen Längenänderungen ihrer kilometerlangen Lasermessstrecken, die von durchlaufenden Gravitationswellen erzeugt werden. Funktioniert das auch mit hochfrequenten Wellen?

Nein, deshalb haben wir eine neue Idee für einen Gravitationswellendetektor entwickelt. Er basiert auf einem sogenannten Haloskop: Das ist ein Gerät, das nach Teilchen der Dunklen Materie sucht, den hypothetischen Axionen. Die sollten, wenn es sie denn gibt, im angrenzenden Raum um die Galaxie, dem sogenannten Halo, vorkommen und somit auch auf der Erde, daher der Name. Ein Axionen-Haloskop nutzt ein Magnetfeld, um Dunkle-Materie-Teilchen in elektromagnetische Strahlung umzuwandeln. Anschließend misst es diese Strahlung.

Solche Haloskope existieren bereits?

Sie werden seit ein paar Jahren routinemäßig für die Suche nach Dunkle-Materie-Teilchen eingesetzt. Wir wollen mit ihnen nun nach hochfrequenten Gravitationswellen suchen, denn auch Gravitationswellen sollten in dem Magnetfeld elektromagnetische Strahlung erzeugen.

Das klingt fast zu einfach: Gravitationswellen, die elektromagnetische Strahlung auslösen – also im Prinzip Licht?

Das ist etablierte Physik! Die ursprüngliche Idee hat der russische Physiker Mikhail Gertsenshtein schon 1961 formuliert. Bis in die 1980er-Jahre haben Leute auch versucht, sie in Gravitationswellendetektoren umzusetzen. Man ist damals zu dem Schluss gekommen, dass man die nötige Sensitivität nicht erreichen könne. Seitdem hat sich aber viel getan: So existieren jetzt Möglichkeiten, extrem kleine elektromagnetische Signale zu messen, bis hinunter zu einzelnen Photonen, also Lichtteilchen. Und eben diese Technologie wird bereits eingesetzt, als Dunkle-Materie-Detektor. Damit wurde Gertsenshteins Idee wiederentdeckt.

Haben Sie schon nach Gravitationswellen in den Daten eines Haloskops gesucht?

Prototyp des Detektors

Leider kann man die Daten der Dunkle-Materie-Suche nicht wiederverwerten. Jedes potentielle Gravitationswellensignal sähe nämlich wie ein störender Hintergrund aus und wird dementsprechend gelöscht. Aber wir haben ein Haloskop etwa zehn Tage speziell nach Gravitationswellen suchen lassen. Ein Gravitationswellensignal haben wir nicht gefunden – aber das haben wir auch erwartet, denn uns war klar, dass unsere Empfindlichkeit noch nicht ausreicht. Wir konnten aber beispielsweise Störsignale messen, die sehr gut mit unserer Erwartung an die Performance des Detektors übereinstimmten. So ließ sich bestätigen, dass es im Umkreis von 50 Kilometern vom Labor kein Schwarzes Loch mit einer Masse von einer Hundertstel Sonnenmassen gibt. Das hätten wir auch sonst gewusst, aber alles zusammen bedeutet eben, dass unser nur zehn Zentimeter kleiner Prototyp funktioniert!

Was fehlt noch, um eine hochfrequente Gravitationswelle nachweisen zu können?

Wir müssen den Detektor vor allem größer machen und das Magnetfeld verstärken. Momentan planen wir, Haloskope zu verwenden, die für die Dunkle-Materie-Suche eingesetzt werden. Die werden immer besser. Bis man aber Gravitationswellen aus dem frühen Universum beobachten kann, muss die Messgenauigkeit der Detektoren noch mindestens um den Faktor eine Million besser werden. Das ist noch ein weiter Weg!

Und wenn Sie stattdessen einen Detektor speziell für die Gravitationswellen entwickeln?

Es gibt solche Pläne. Eine vielversprechende Idee basiert auf den sogenannten „Weber bars“. Das sind zylinderförmige Resonanzdetektoren, die Joseph Weber – einer der Pioniere der Gravitationswellendetektoren – ebenfalls in den 1960er-Jahren entwickelt hat. Webers Idee war, dass eine Gravitationswelle solch einen Metallzylinder zu Schwingungen anregt, die man dann messen kann. Solche mechanischen Schwingungen stellten sich allerdings als viel zu klein heraus, weswegen man zu Lasersystemen wie LIGO übergegangen ist. Wenn man den Zylinder aber aus einem supraleitenden Magneten baut, dann beeinflussen die Schwingungen das Magnetfeld. Und schwingende Magnetfelder können wir um Größenordnungen genauer messen als mechanische Schwingungen. Mit einem solchen Detektor kämen wir deutlich näher an die Sensitivität, die wir erreichen wollen, aber da müssen wir alles selber machen! Trotzdem überlegen wir zurzeit, wie man einen Prototyp bauen und testen kann.

LIGO war rund ein halbes Jahrhundert in der Entwicklung. Glauben Sie, dass es mit den hochfrequenten Gravitationswellen schneller gehen wird?

Simulierte Gravitationswellen

Ich denke, in fünf bis zehn Jahren werden wir entweder wissen, was wir bauen müssen, um an unser Ziel zu kommen, oder einen Grund gefunden haben, warum es konzeptionell nicht geht. Momentan kann ich das nicht abschätzen, denn noch haben wir kein solches Limit gefunden. Aber die Motivation ist da! Bis zur ersten Detektion durch LIGO wusste man noch nicht einmal sicher, ob man Gravitationswellen registrieren kann. Man ist nur theoretisch davon ausgegangen, dass es sie gibt – denn Schwarze Löcher kannte man ja schon. Hochfrequente Gravitationswellen schienen dagegen regelrecht exotisch. Das hat sich inzwischen völlig geändert. Wir wissen jetzt, dass wir Gravitationswellen nutzen können, um interessante Fragen über das Universum zu beantworten. Speziell bei hochfrequenten Wellen muss man sich nicht einmal mit großen Hintergrundsignalen herumschlagen, weil es im frühen Universum ja noch gar keine astrophysikalischen Objekte gab, die Gravitationswellen erzeugen konnten. Wenn man dort etwas findet, wäre das neue Physik!