Physik-Nobelpreis: Wenn die Gravitation Wellen schlägt...

  • 03. October 2017

Der diesjährige Physik-Nobelpreis geht an drei Mitglieder der LIGO-Kollaboration: Rainer Weiss, Barry Barish und Kip Thorne.

In diesem Jahr hat die Entscheidung der Königlich Schwedischen Akademie der Wissenschaften zur Verleihung des Physik-Nobelpreises wohl niemanden überrascht: Die diesjährige Auszeichnung teilen sich die beiden LIGO-Gründer Rainer Weiss und Kip Thorne sowie Barry Barish von der LIGO-Kollaboration für entscheidende Beiträge zum LIGO-Detektor und die Beobachtung von Gravitationswellen. Seit der aufsehenerregenden Pressekonferenz der LIGO-Kollaboration am 11. Februar 2016, in welcher David Reitze, Geschäftsführer des LIGO-Labors am Caltech den erfolgreichen direkten Nachweis des ersten Gravitationswellensignals verkündete, hat sicherlich in Wissenschaft und Öffentlichkeit jeder mit dieser Auszeichnung gerechnet.

In der Folge der Pressekonferenz haben die drei LIGO-Gründer – neben Kip Thorne und Rainer Weiss zählt dazu der britische Physiker Ronald Drever, der allerdings im März diesen Jahres verstarb – zahlreiche Preise erhalten, darunter den Gruber-Preis für Kosmologie, den Shaw-Preis für Astronomie, den Kavli-Preis für Astrophysik sowie den Special Breakthrough Prize in Fundamental Physics der Milner Global Foundation. Letzterer ist mit insgesamt drei Millionen Dollar Preisgeld dotiert. Davon teilten sich die drei LIGO-Gründer eine Million, der Rest wurde zu gleichen Teilen auf die 1012 Mitglieder der LIGO-Kollaboration verteilt. Die Königlich Schwedische Akademie zeichnet mit Rainer Weiss und Kip Thorne auch Barry Barish aus, weil er das Upgrade der Detektoren zu Advanced LIGO vorangetrieben hat. Erst die deutlich bessere Sensitivität der neuen Detektoren ermöglichte den ersten Nachweis eines Gravitationswellensignals.

Rainer Weiss, Barry Barish und Kip Thorne (von links) teilen sich den diesjährigen Physik-Nobelpreis. (Fotos: B. Vickmark, R. Hahn und Caltech)

Rainer Weiss, Barry Barish und Kip Thorne (von links) teilen sich den diesjährigen Physik-Nobelpreis. (Fotos: B. Vickmark, R. Hahn und Caltech)

Mit diesen Auszeichnungen würdigen alle Preiskomitees insbesondere den erstmaligen direkten Nachweis der hundert Jahre zuvor von Albert Einstein vorhergesagten Gravitationswellen. Diese ergeben sich beispielsweise beim Verschmelzen zweier Schwarzer Löcher zu einem einzigen massiven Schwarzen Loch. Die dabei frei werdende Energie wird in Form von Gravitationswellen abgestrahlt. Ein solches Signal haben die beiden LIGO-Detektoren in Livingston (Louisiana) und Hanford (Washington) am 14. September 2015 um 5:51 US-Ostküstenzeit registriert.

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Beide LIGO-Detektoren haben am 14. September 2015 das erste Gravitationswellensignal registriert (oben) - die Signale sehen nahezu identisch aus wie die numerischen Simulationen (unten). (Abb. aus B. P. Abbot et al., PRL 116, 061102, 2016)

In den Monaten nach dieser Entdeckung sammelte die Kollaboration weitere Daten, prüfte, wertete weiter aus und hielt insbesondere Stillschweigen. Danach war klar, dass es sich um ein echtes Signal mit einer statistischen Signifikanz von 5,1 Standardabweichungen handelte. Es stammte von zwei Schwarzen Löchern mit einer Masse von rund 29 bzw. 36 Sonnenmassen, die vor 1,3 Milliarden Jahren zu einem einzigen Schwarzen Loch einer Masse von etwa 62 Sonnenmassen verschmolzen sind. Demnach ist in einem Bruchteil einer Sekunde die Energie von rund drei Sonnenmassen in Form von Gravitationswellen frei geworden.

Nach diesem ersten Durchbruch registrierte die LIGO-Kollaboration im Dezember 2015 das zweite Gravitationswellensignal zweier verschmelzender Schwarzer Löcher. Kurz nach Beginn des zweiten Beobachtungslaufs von Advanced LIGO gelang es im Januar 2017, das dritte Ereignis nachzuweisen. Und erst letzte Woche verkündeten die LIGO- und Virgo-Kollaboration, dass sie am 14. August 2017 erstmals gemeinsam ein viertes Signal detektiert haben. Diese erste dreifache gemeinsame Messung verbesserte die Genauigkeit, mit der sich die Position und Entfernung der Schwarzen Löcher bestimmen ließen, signifikant. Die neue Gravitationswelle erreichte zuerst den Detektor in Livingston, acht Millisekunden später den Detektor in Hanford und weitere 14 Millisekunden später den italienischen Detektor in der Nähe von Pisa. Damit ließ sich der Ursprung der Gravitationswelle auf einen Bereich von 60 Quadratgrad (300mal die scheinbare Größe des Vollmondes) am Südhimmel zwischen den Sternbildern Eridanus und Horologium lokalisieren.

Diese erfolgreichen Messungen markieren den Beginn der Ära der Gravitationswellenastronomie – der Weg dorthin war allerdings weit: Bereits in den 1980er-Jahren schlugen Rainer Weiss, emeritierter Physikprofessor vom MIT, Kip Thorne, Professor für theoretische Physik am Caltech, und Ronald Drever, emeritierter Physikprofessor vom Caltech, LIGO als Detektor für Gravitationswellen vor. Heute gehören mehr als tausend Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus 15 Ländern zu der Kollaboration, darunter auch viele deutsche Forscher, die im Rahmen der GEO600-Kollaboration südlich von Hannover einen eigenen Gravitationswellendetektor betreiben.

Viele technologische Entwicklungen aus Hannover wie die monolithische Spiegelaufhängung oder das Hochleistungslasersystem haben die hohe Empfindlichkeit der LIGO-Detektoren erst ermöglicht, wie Karsten Danzmann, Direktor am MPI für Gravitationsphysik in Hannover verdeutlicht: „Wissenschaftler suchen seit Jahrzehnten nach Gravitationswellen, aber erst jetzt verfügen wir über die unglaublich präzisen Technologien, um diese extrem schwachen Echos aus dem fernen Universum wahrzunehmen.“

Derzeit messen die stark verbesserten drei Interferometer von Advanced-LIGO und Advanced-Virgo mit einer erhöhten Empfindlichkeit gemeinsam weiter. Da dürfte es nur eine Frage der Zeit sein, wann sie das erste Signal messen können, das nicht aus dem Verschmelzen zweier Schwarzer Löcher stammt…

Maike Pfalz

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