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Mittwoch, 27.07.2016
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"Wir konnten es erst gar nicht glauben"

Wie LIGO die Gravitationswellen entdeckte

Die Entdeckung der Gravitationswellen ist nicht nur ein Meilenstein der Physik – es war auch ein echter Glücksfall. Denn die Forscher des LIGO-Kollaboration registrierten das Signal der beiden verschmelzenden Schwarzen Löcher sogar noch vor Beginn ihres offiziellen Neustarts – im Testbetrieb. LIGO-Physiker erzählen, wie dies ablief.
Zwei Schwarze Löcher verschmelzen - und senden Gravitationswellen aus

Zwei Schwarze Löcher verschmelzen - und senden Gravitationswellen aus

Es kam völlig überraschend – und weitaus schneller als erwartet. Denn die beiden 3.000 Kilometer voneinander entfernten Detektoren der LIGO-Kollaboration sind erst im Sommer 2015 auf höhere Empfindlichkeit aufgerüstet worden. Ihr Laser-Interferometer kann seither noch zehnfach schwächere Veränderungen des Untergrunds durch Gravitationswellen detektieren.

Laserstrahlen im Tunnel


Gravitationswellen-Detektoren wie LIGO in den USA oder Geo600 bei Hannover registrieren diese winzigen Verschiebungen mit Hilfe von Laser-Interferometrie: Ein Laserstrahl wird geteilt und auf zwei senkrecht zueinander stehende, mehrere Kilometer lange Messstrecken geschickt. Am Ende werden die Teilstrahlen durch einen Spiegel reflektiert und zum Detektor zurückgeworfen.

Normalerweise ist das System so eingestellt, dass sich die Laserstrahlen dabei gegenseitig auslöschen. Trifft nun jedoch eine Gravitationswelle die Erde, verändern sich Längen der Messstrecken. Als Folge verschiebt sich die Phase der beiden Laserstrahlen gegeneinander und der Detektor empfängt ein Signal. Mitte September liefen beiden Anlagen noch im Testbetrieb, die wissenschaftliche Datenerfassung hatte noch gar nicht wieder begonnen, als es passierte.


So klingt der "Chirp" des Gravitationswellen-Signals


Ausschlag in der Nacht


"Das Signal kam am 14. September 2015 am späten Vormittag mitteleuropäischer Zeit herein, in den USA war es Nacht, und die Kollegen dort schliefen", berichtet Bruce Allen vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover. "So haben es zwei Mitarbeiter des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik als erste auf ihrem Bildschirm gesehen, wenige Minuten, nachdem die Detektoren angeschlagen hatten."

Das Signal dauerte nur eine halbe Sekunde – aber seine Form war unverkennbar: Deutlich war eine Sinuswelle mit zehn bis zwölf Zyklen zu erkennen, deren Amplitude immer weiter zunahm. Nach einem Höhepunkt fielen die Schwingungen dann abrupt auf einen niedrigeren Wert ab. Einen solchen Verlauf hatten Modelle für die Gravitationswellen vorhergesagt, die bei einer Verschmelzung von zwei Schwarzen Löchern auftreten soll.

"Es schwingt nach wie eine Glocke"


Wie diese Signalform entsteht, erklärt Alessandra Buonanno vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik so: "Vor der Verschmelzung ist die Signalfrequenz proportional zur Umlauffrequenz." Die Amplitude des Signals – quasi seine Lautstärke, spiegelt die Geschwindigkeit der beiden Schwarzen Löcher bei ihren gegenseitigen Umkreisungen wider. "Während der letzten Entwicklungsphase entspricht diese nahezu der Lichtgeschwindigkeit", so die Physikerin.

Die beiden Schwarzen Löcher kommen sich nun immer näher, bis sie kollidieren und miteinander verschmelzen. "Dabei entsteht ein massereicheres schwarzes Loch, das noch etwas nachschwingt wie eine Glocke, bevor es zur Ruhe kommt", so Buonanno. "Dabei sendet es Gravitationswellen bei konstanter Frequenz aus." Die von den beiden LIGO-Detektoren aufgefangenen Signale entsprachen fast genau diesem Verlauf.

Der Tanz zweier verschmelzender Schwarzer Löcher und die von ihnen ausgesendeten Gravitationswellen.


"Es sah so perfekt aus!"


"Wir konnten es erst gar nicht glauben. Vor allem war das Signal so stark und sah so perfekt aus, dass wir uns zunächst gefragt haben, ob es tatsächlich echt ist", berichtet Allen. "Dass man gerade bei der ersten Detektion aus der Wellenform so direkt auf das Ereignis schließen kann, habe ich nicht erwartet. Ich war davon ausgegangen, dass die ersten Detektionen sehr viel schwächer sein und sich nur mit unseren Analyseprogrammen aus den Daten herausfischen lassen würden."

Die deutschen Physiker informierten ihre Kollegen der LIGO-Kollaboration von dem Signal. Doch zunächst wollte keiner so recht glauben, was man da sah. "Das Signal war so schön, dass viele von uns besorgt waren, es könnte absichtlich in unsere Daten eingeschleust worden sein", erklärt Rainer Weiss vom Kavli Institute. Wochenlang prüften die Forscher, ob es sich um ein künstliches Signal oder einen Messfehler handeln könnte.

Denn um das LIGO-Team zu testen, werden solche Signale in unregelmäßigen Abständen absichtlich in die Detektordaten eingeschleust. "Wir haben sehr viel Arbeit investiert, um das ausschließen zu können", sagt Allen. "Doch am Ende stand fest: Das Signal stammt aus dem All. Wir sind Zeuge davon geworden, wie in einer fernen Galaxie zwei schwarze Löcher ineinander gestürzt sind!"

"Die besten Quellen für den Detektor"


Aus der Wellenform und den Amplituden konnten die Physiker ermitteln, welche Masse die Schwarzen Löcher vor ihrer Verschmelzung hatten und wie weit sie von uns entfernt liegen. Wie sich zeigte, ereignete sich diese dramatische Kollision 1,3 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt und es waren Schwarze Löcher von 29 und 36 Sonnenmassen beteiligt – auch das eine Überraschung.

"Wir wussten nicht, ob Schwarze Löcher mit mehr als 20 Sonnenmassen überhaupt existieren", so Buonanno. "Uns war allerdings klar: Sollte das der Fall sein, wären sie die stärksten Quellen von Gravitationswellen für den LIGO-Detektor. Denn das Signal von solch massereichen, verschmelzenden Doppelsystemen schwingt genau in jenem Frequenzbereich, in dem die Detektoren am empfindlichsten sind."

Noch mehr Signale wie dieses"


Das Signal der Gravitationswellen lag im Bereich zwischen 60 und 250 Hertz – genau in dem Bereich, in dem die LIGO-Detektoren inzwischen fast zehnmal so empfindlich sind wie vor ihrem Umbau. Und die Physiker sind schon jetzt zuversichtlich, dass es nicht das einzige und letzte Signal solcher Ereignisse bleiben wird, das sie mit den Detektoren einfangen – im Gegenteil:

"Ich schätze mal, dass wir während des nächsten sechsmonatigen Wissenschaftsbetriebs nach einer weiteren, kürzeren Umbauphase im Laufe des Jahres ein System wie dieses alle drei oder vier Tage sehen", sagt Allen. "Gegen Ende der nächsten Messperiode werden wir rund 20 solcher Detektionen haben." Das aber bedeutet, dass Astronomen und Astrophysiker völlig neue Einblicke in diese bisher kaum erforschten Ereignisse und das Verhalten Schwarzer Löcher gewinnen werden.

Mehr zu Gravitationswellen und ihrer Entdeckung in unserem Special "Gravitationswellen"
(LIGO, Max-Planck-Gesellschaft, 12.02.2016 - NPO)