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Gravitationswellen Wenn Schwarze Löcher den Raum erzittern lassen

Wenn Schwarze Löcher kollidieren, erzittert der Raum. Vom Ort solcher kosmischer Katastrophen breiten sich Gravitationswellen aus – Störungen der Raumzeit, denen Forscher mit aufwendigen Versuchen nachjagen.

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Die Illustration des Massachusetts Institute of Technology zeigt ein Schwarzes Loch, das einen Strudel von Materie einsaugt. Gravitationswellen entstehen, wenn zwei Schwarze Löcher miteinander verschmelzen. Quelle: handelsblatt.com

Verschmelzen zwei Schwarze Löcher miteinander, lassen sie den Raum erzittern. Und das nicht nur im übertragenen Sinn. Denn von den Orten, an denen derart massereiche Körper extrem stark beschleunigt werden, gehen wellenförmige Störungen der Raumzeit aus. Der Raum streckt sich dann periodisch und zieht sich wieder zusammen. Durchquert eine solche Gravitationswelle den Raum zwischen zwei Körpern, verändert sie den Abstand der beiden Objekte zueinander.

Doch so gewaltig die bei den Kollisionen frei werdenden Energien auch sind, der messbare Effekt ist extrem klein. Sind die verschmelzenden Schwarzen Löcher einige tausend Lichtjahre entfernt, sorgen die auf der Erde ankommenden Gravitationswellen nur für winzige Veränderungen. Eine Strecke von 100 Metern verändern sie gerade einmal um den Durchmesser eines Eisenatomkerns. Doch selbst ein solch unscheinbares Signal, eher eine Kräuselung der Raumzeit als eine mächtige Welle, können moderne Detektoren noch nachweisen.

Einen der faszinierendsten Ansätze dazu verfolgen Wissenschaftler wie Michael Kramer und Norbert Wex vom Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn. In der Juli-Ausgabe des Magazins Spektrum der Wissenschaft berichten sie über ihre Versuche, schnell rotierende Neutronensterne – sogenannte Pulsare – als Gravitationswellen-Detektoren zu nutzen. Wegen der sehr regelmäßigen Radiostrahlung, die Pulsare aussenden, gelten sie als hochgenaue kosmische „Uhren“. Wenn diese scheinbar falsch ticken, dies aber nach bestimmten Mustern tun, wissen die Forscher: Sie sind auf Gravitationswellen gestoßen.

Bislang stehen die Forscher aber vor einem großen Problem: Die gesuchten Ereignisse finden einfach zu selten statt. Denn verschmelzende Schwarze Löcher sind Mangelware in der Milchstraße, und selbst die viel häufigeren Explosionen massereicher Sterne, so genannte Supernovae – eine weitere Quelle von Gravitationswellen –, kommen in unserer Galaxis lediglich einmal pro Jahrhundert vor. Es bedarf also einer guten Portion Glück, damit die Detektoren tatsächlich fündig werden. Bislang zumindest ist der direkte Nachweis von Gravitationswellen nicht geglückt.

Entdeckung von Nobelpreis-Kaliber

Im gesamten Universum jedoch, über Milliarden von Jahre hinweg, hat eine Unzahl solcher Ereignisse stattgefunden, und noch immer durchqueren die von ihnen einst ausgesandten Gravitationswellen den Raum. Die Überlagerung all dieser Ereignisse zu einem „Hintergrund“ von Signalen ist es, die Forscher wie Kramer und Wex vermessen wollen.

Dabei kommt ihnen die besondere Struktur der Pulsare entgegen. Diese kosmischen Leuchttürme senden entlang ihrer Magnetachse einen gebündelten Strahl von Radiowellen aus. Weil sich die kompakten Sterne um ihre Rotationsachse drehen, bewegt sich auch ihr Radiostrahl durchs Universum. Sind Erde und Pulsar auf passende Weise zueinander ausgerichtet, registrieren die Astronomen dann ein pulsierendes Radiosignal.

Typischerweise beobachten die Forscher Millisekundenpulsare, solche Sterne also, die sich in wenigen Tausendstel Sekunden einmal um sich selbst drehen. Die zeitlichen Abstände zwischen den schnell eintreffenden Signalen sind dabei nahezu identisch, sodass diese Uhren ähnlich präzise ticken wie eine Atomuhr.

Genau dieser Effekt lässt sich nun ausnutzen. Denn der sich zusammenziehende und wieder dehnende Raum wirkt sich ganz charakteristisch auf die Laufzeit der Signale aus. Treffen Signale früher oder später ein als erwartet, deutet dies also – wenn alle anderen möglichen Einflussfaktoren wie etwa das Gravitationsfeld der Milchstraße berücksichtigt wurden – auf Gravitationswellen hin.

Weil Kramer und Wex mit Kollegen aus aller Welt ein ganzes Netzwerk von Pulsaren, ein so genanntes Pulsar Timing Array untersuchen, können sie die Zuverlässigkeit ihrer Messungen sogar weiter erhöhen. Noch sind die Forscher zwar nicht fündig geworden, doch im weltweiten Forschungswettlauf um den direkten Nachweis von Gravitationswellen verschafft ihnen die Methode eine sehr gute Ausgangsposition. Und dem Sieger dieses Wettlaufs winken höchste Ehren: Der erste Nachweis einer solchen Raumzeit-Welle wäre eine Entdeckung von Nobelpreis-Kaliber.

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