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Vor zehn Jahren – am 14. September 2015 – wiesen die Detektoren des Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) in den USA erstmals Gravitationswellen direkt nach. Das von den LIGO-Detektoren in Hanford (Washington) und Livingston (Louisiana) aufgespürte Signal GW150914 gab den Startschuss in das Zeitalter der beobachtenden Gravitationswellenastronomie [1, 2]. Aus dem Vergleich der gemessenen Signalform mit theoretischen Vorhersagen auf Grundlage der Allgemeinen Relativitätstheorie ließ sich schnell der Ursprung des Signals rekonstruieren: Dabei handelte es sich um Gravitationswellen, die zwei Schwarze Löcher vor etwa 1,4 Milli­arden Jahren bei ihrer Verschmelzung in den Tiefen des Alls abgestrahlt haben. Diese Gravitationswellen breiteten sich anschließend mit Lichtgeschwindigkeit in alle Richtungen aus, bevor ein Teil der Wellenfront im September 2015 inner­halb von Sekundenbruchteilen durch die Interferometerarme der LIGO-Detektoren rauschte.

Dem ersten direkten Nachweis von Gravitationswellen war ein Jahrhundert theoretischer und experimenteller Vorarbeiten vorausgegangen. Die Existenz von Gravita­tionswellen – Störungen der Raumzeit, die sich wellenartig­ durch Raum und Zeit ausbreiten und dabei Abstände in der Raumzeit periodisch strecken und stauchen – hatte ­Albert Einstein 1916 aus den Gleichungen seiner Allgemeinen ­Relativitätstheorie abgeleitet. Ein erster indirekter Nachweis von Gravitationswellen gelang in den 1970er- und 1980er-Jahren mittels Beobachtungen eines Doppelpulsars im Sternbild Adler, dessen Umlaufperiode stetig aufgrund des Energieverlustes durch die Abstrahlung von Gravitationswellen abnimmt. (...)

In den letzten zwei Jahrzehnten etablierte sich mithilfe von Präzisionsmessungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds und von Supernovae des Typs Ia sowie mit Himmelsdurchmusterungen von Galaxien und Galaxienhaufen das Standardmodell der Kosmologie. Das daraus resultierende Paradigma – die ΛCDM-Kosmologie, d. h. kalte Dunkle Materie mit einer kosmologischen Konstanten Λ – beschreibt unser Universum sehr gut auf kosmologischen Skalen, die größer als 100 Millionen Lichtjahre sind. Die aktuelle Kontroverse um die Hubble-Konstante könnte eine leichte Modifikation des Standardmodells erzwingen, was aber in der kosmologischen Strukturentstehung eine untergeordnete Rolle spielen sollte. Das kosmologische Standardmodell enthält eine Reihe ungelöster Fragen. So postuliert es die Existenz von (i) Dunkler Materie, die nicht-baryonischen Ursprungs ist und hauptsächlich gravitativ mit der uns bekannten Materie wechselwirkt, und (ii) Dunkler Energie beziehungsweise der kosmologischen Konstanten. Das Modell ist zudem (iii) auf Skalen von Galaxien und Galaxienhaufen nicht vorhersagekräftig, da hier komplexe baryonische Physik eine wichtige Rolle spielt. Einfache Modelle der Galaxienentstehung gelangen an ihre Grenzen und können nicht alle Beobachtungsdaten erklären. (...)