Suchen nach: ­"Einstein-Teleskop"

Das gravitative Zweikörperproblem ist so alt wie die Physik als exakte Wissenschaft selbst: Newton formulierte die Bewegungsgleichungen zweier Massen unter dem Einfluss seines Gravitationsgesetzes und löste sie in den Principia mithilfe der neu entwickelten Analysis exakt. Damit gelang es ihm, die empirisch gewonnenen Keplerschen Gesetze herzuleiten, nach denen sich Himmelskörper auf Kegelschnitten bewegen. Entweder liegt der gebundene Fall mit elliptischen Bahnen vor (die Planetenbahnen) oder aber der ungebundene Streuungsfall mit hyperbolischen Bahnen, wie sie sich bei der Passage interstellarer Objekte durch unser Sonnensystem zeigen.
Wie wir heute wissen, ist die Newtonsche Dynamik lediglich eine Näherung für kleine (nichtrelativistische) Geschwindigkeiten und schwache Gravitationsfelder. Die exakte Formulierung folgt aus Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie (ART) und ist ungleich komplizierter: In der Regel ist sie nicht mehr exakt lösbar. Die Körper bewegen sich nicht in einem festen ­Potential, sondern in einer Raumzeitgeometrie, die sie selbst erzeugen. Daher hat man es mit einem gekoppelten System nichtlinearer gewöhnlicher und partieller Differentialgleichungen zu tun, welche die Trajektorie des Körpers und des Gravitationsfeldes beschreiben. In der ART strahlen hierbei beschleunigte Massen Gravitationswellen ab, die selbst Energie und Impuls tragen. Das Zweikörpersystem verliert somit Energie in Form von Gravitationsstrahlung und ist nicht mehr konservativ, in Analogie zur Elektrodynamik, wo beschleunigte Ladungen elektromagnetische Strahlung emittieren. Bei der Gravitation erweist sich diese Strahlungsdynamik jedoch aufgrund der nichtlinearen Feldgleichungen als deutlich anspruchsvoller. (...)

Im Februar 2016 verkündete die LIGO-Kollaboration nach sorgfältiger Überprüfung und Analyse ihrer Mess­daten den ersten direkten Nachweis eines Ereignisses von Gravitationswellen durch die beiden LIGO-Interferometer (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Aufgezeichnet hatten sie das Ereignis am 14. September 2015 [1]. Von Dezember 2015 bis Mitte 2017 erprobte die Technologiemission LISA Pathfinder die Schlüsseltechnologien für die Laser Interferometer Space Antenna (LISA, Abb. 1). Diese wird komplementär zu den bodengebundenen Observatorien wie LIGO, Virgo und deren Nachfolger niederfrequente Gravitationswellen mit Frequenzen bis maximal 1 Hz nachweisen, die von der Erdoberfläche aus nicht zu beobachten sind. Eine Abschätzung der charakteristischen Frequenzen von Gravitationswellen ergibt fGW  ~ 104 Hz (M⊙ / M) mit der Sonnenmasse M⊙ (2 · 1030 kg) und der Masse M der Quelle der Gravitationswelle [2]. Typische Frequenzen, die LIGO und Virgo nachweisen können, liegen zwischen 30 Hz und einigen kHz; bei LISA werden es einige 10–5 bis etwa 1 Hz sein.

Die mit Laserinterferometern nachweisbaren Frequenzen sind wesentlich durch die Armlänge sowie die internen Rauschquellen des Instruments und die seiner Umgebung bestimmt (Tabelle). Daher beobachten boden- und weltraumgebundene Observatorien Quellen sehr unterschiedlicher Massen und damit unterschiedlicher Natur. Während LIGO und Virgo Gravitationswellen erfassen, die durch stellare Massen hervorgerufen werden, sind es bei LISA auch Gravitationswellen von Quellen mit Massen von mehr als 1000 bis zu einigen 107 Sonnenmassen. LISA erweitert somit das Beobachtungsfenster für Gravitationswellen und ermöglicht zudem eine Triangulation, um die Richtung von Quellen, die permanent Gravitationswellen abstrahlen, präzise zu bestimmen. Damit ist oberhalb von etwa 10–4 Hz das gesamte Spektrum der Gravitationswellen abgedeckt. Die Lücke bei wenigen Hz sollen das geplante Einstein-Teleskop und die vorgeschlagene DECIGO-Mission, die ähnlich wie LISA konzipiert ist, schließen [3, 4]. (...)

Seit dem erfolgreichen Nachweis erhalten Sie viele Auszeichnungen – eine späte Bestätigung Ihrer Arbeit?

Das stimmt, aber wie mein Kollege Albrecht Rüdiger sagte: In unserem Bereich braucht man nicht Geduld, sondern ein langes Leben. Diese Preise schaffen nun Sichtbarkeit und öffnen wichtige Türen.

Wie kamen Sie damals eigentlich zu den Gravitationswellen?

Durch reinen Zufall. 1989 hielt ich auf einer Konferenz in Bretton Woods einen Vortrag über Doppler-freie Zwei-Photonen-Laser­spektroskopie. Herbert Walther, der die Gravitationswellengruppe nach der Emeritierung von Heinz Billing am Max-Planck-Institut für Quantenoptik verwaltet hat, sprach mich anschließend an und sagte: „Herr Danzmann, Sie kommen nach Mün­chen und machen Gravita­tionswellen!“ Damals stand durchaus zur Debatte, den ganzen Bereich zu schließen.

Sie haben trotzdem zugesagt?

Ich habe schon immer gerne etwas Exotisches gemacht, deswegen bin ich nach München geflogen und habe mir das Ganze genauer angeschaut. In den vier Tagen ist mir Herbert Walther nicht von der Seite gewichen. Ich habe ihn in der Zeit wohl mehr gesehen als in den 20 Jahren danach. Nach dem Besuch war für mich klar, dass ich diese Herausforderung annehme.

Wie war damals der Stand der Dinge?

Es gab einen deutschen Prototypen für ein Laserinterferometer mit 30 Meter langen Armen, der so gut verstanden war, dass man den Schritt zu großen Detektoren wagte. Damals lagen fast zeitgleich die Proposals für GEO und LIGO auf dem Tisch, VIRGO kam etwas später. Die Zeit war dafür reif. Interessanterweise basierte auch der LIGO-Antrag auf den Ergebnissen des deutschen Prototypen, weil dieser als einziger bereits die Schrot­rauschgrenze erreicht hatte. (...)

Am Schnittpunkt der beiden L-förmig angeordneten Arme und neben der nach Charles Fabry und Alfred Pérot benannten Piazza steht ein mehrstöckiges Gebäude. Darin befinden sich der Laser, zwei Endspiegel der Interferometerarme und zahlreiche weitere Komponenten. Nach einer Schleuse, in der ich in Überschuhe schlüpfe, betrete ich das Innere und erklimme eine Plattform. Von hier schaue ich auf mehrere eingerüstete „Stahltonnen“, zehn Meter hoch und mit zwei Meter Durchmesser. In jeweils einer Tonne hängen – mechanisch durch „Superdämpfer“ von seismischer Aktivität oder Vibrationen durch Traktoren etc. entkoppelt – der Strahlteiler, zwei der über 40 Kilo schweren Endspiegel aus speziellem Quarzglas und Hilfsspiegel. Davon ist aber nichts zu sehen, denn die Stahlgefäße sind ebenso geschlossen und evakuiert wie die 1,2 Meter dicken Stahlrohre, die sich draußen fortsetzen. Seit 2011 wurde VIRGO zu Advanced VIRGO (AdV) umgebaut, um die Nachweisempfindlichkeit zu erhöhen. Derzeit befindet sich der Detektor in der Inbetriebnahme. Ab März 2017 soll er Daten aufzeichnen – gleichzeitig mit Advanced LIGO (aLIGO) in Hanford bzw. Livingston (USA).

Ursprünglich hätte Advanced VIRGO Ende 2015 in Betrieb gehen sollen. Unerwartete technische Schwierigkeiten haben dies jedoch verhindert. Selbst bei einem pünktlichen Start wäre AdV die erste direkt nachgewiesene Gravitationswelle – das Signal GW150914 – aber durch die Lappen gegangen.1) Um ein Haar wäre es aLIGO an jenem 14. September 2015 genauso ergangen: „Das war der erste Tag, an dem nach fünf Jahren Umbau erstmals beide Detektoren gleichzeitig mit vernünftiger Empfindlichkeit und stabil liefen“, erinnert sich Karsten Danzmann vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Hannover. An einem „wunderschönen Montagvormittag“, wenige Minuten vor 12 Uhr, ging der Postdoc Marco Drago in Hanno­ver als erster Wissenschaftler einem computergenerierten Hinweis auf ein möglicherweise interessantes Signal nach und erblickte GW150914 auf dem Bildschirm. Danzmann kam kurze Zeit später hinzu und staunte: „Das war einfach zu schön, ein Sig­nal wie aus dem Lehrbuch“. Oder doch nur aus der Retorte? Um die Datenauswertung zu überprüfen, wurden nämlich regelmäßig Test­signale in den Detektor eingespeist. Ein Anruf in den LIGO-Kontrollräumen machte aber klar, dass ein Testsignal nicht infrage kam – dort war es 3 bzw. 5 Uhr morgens, und kein Wissenschaftler war vor Ort...