Dossier

Gravitationswellen

Albert Einstein sagte sie bereits 1915 als Konsequenz der Allgemeinen Relativitätstheorie vorher: Gravitationswellen. Der direkte Nachweis dieser winzigen Störungen im Gefüge der Raum-Zeit ließ allerdings hundert Jahre auf sich warten. Erst im September 2015 gelang es der LIGO-Kollaboration, eine Gravitationswelle zu detektieren.

Articles

Maike Pfalz
09 / 2018 Seite 38
Pro-Physik-Mitglieder

„Ich hatte nie einen Zweifel.“

Prof. Dr. Karsten Danzmann wurde 2018 mit der Stern-Gerlach-Medaille für seine entscheidenden Beiträge zur Entwicklung von Gravitationswellendetektoren ausgezeichnet. Seine bahnbrechenden Arbeiten haben den direkten Nachweis von Gravitationswellen ermöglicht und eine neue Ära astrophysikalischer Forschung eingeläutet. Seit 1990 leitet Danzmann die Gravitationswellengruppe innerhalb der Max-Planck-Gesellschaft – zunächst in Garching, seit 1993 in Hannover.

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. (...)

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Hartmut Grote
12 / 2017 Seite 28
Pro-Physik-Mitglieder

Der lange Weg zum Nachweis

Der diesjährige Nobelpreis geht zur Hälfte an Rainer Weiss und zu jeweils einem Viertel an Kip Thorne und Barry Barish für ihre Beiträge zu den LIGO-Detektoren, mit denen es 2015 nach jahrzehntelangen Vor­arbeiten erstmals gelang, Gravita­tionswellen direkt nachzuweisen.

1916 sagte Albert Einstein Gravitationswellen aus der Allgemeinen Relativitätstheorie voraus, war aber selbst skeptisch, ob man diese überhaupt jemals würde beobachten können. Über Jahrzehnte gab es zudem Kontroversen um ihre prinzipielle Messbarkeit, die erst Ende der 1950er-Jahre abnahmen. Zu dieser Zeit begann Joseph Weber in den USA die ers­ten Experimente mit dem Ziel, Gravitationswellen zu messen. Er nutzte massive Metallzylinder, die von den Wellen zu mechanischen Schwingungen angeregt werden sollten und war Ende der 60er-Jahre zunehmend überzeugt, dass ihm der Nachweis geglückt sei. Diese Entwicklung gab den Anstoß für Replikationsversuche, insbesondere in München, wo am Max-Planck-Institut für Astrophysik die Keimzelle der Gravitationswellenastronomie in Deutschland entstand. Heinz Billing und sein Mitarbeiter Walter Winkler bauten eine Resonanzantenne ähnlich zu Webers Detektoren. Die Münchner Gruppe analysierte ihre Daten in Koinzidenz mit einer Gruppe in Frascati (Italien), die einen Detektor ganz ähnlicher Bauweise konstruiert hatte. Es gab jedoch, wie auch bei anderen Replikationsversuchen danach, keinerlei Hinweise auf Gravitationswellen.
Obwohl sich die Meinung durchsetzte, dass Weber sich geirrt haben musste, so hatte er doch den entscheidenden Anstoß gegeben: Viele Forscher blieben dem Gebiet treu und wollten nun wirklich Gravitationswellen finden. Einige entwickelten die Technik der Zylinderantennen zu Meisterwerken kryogener Technik weiter [1], von denen zwei noch bis 2016 in Betrieb waren. Andere Forscher wandten sich der Laserinterferometrie zu, deren Messprinzip auf Albert Michelsons Schöpfung von 1881 zum Nachweis des hypo­thetischen Äthers beruht. Für die Detektion von Gravitationswellen sind jedoch um viele Größenordungen empfindlichere und größere Interferometer notwendig...

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Gabriel Martínez-Pinedo, Brian D. Metzger und Friedrich-Karl Thielemann
12 / 2017 Seite 20
DPG-Mitglieder

Der Beginn einer Multi-Messenger-Ära

Erstmals ist es gelungen, die Gravitationswellen sowie elektromagnetische Strahlung nachzuweisen,
die beim Verschmelzen zweier Neutronensterne entstehen.

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Alexander Pawlak / AEI / DLR
09 / 2017 Seite 6
DPG-Mitglieder

LISA folgt Pfadfinder

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Gerhard Schäfer
02 / 2017 Seite 35
DPG-Mitglieder

Der Quelle auf der Spur

Wenn Gravitationswellen direkt gemessen werden sollen, spielen Abstandsmessungen von einem Tausendstel des Protonendurchmessers und sogar darunter eine Rolle. Ein effizienter Algorithmus, der die erwarteten Gravitationswellensignale vom Untergrund der Detektoren trennt, ist für den Nachweis der Wellen unverzichtbar. Die analytische Modellierung von Gravitationswellen hilft dabei, die Parameter des Quellsystems der Welle zu bestimmen.

Fast genau hundert Jahre nach Einsteins epochaler Theorie der Gravitation und seinen Rechnungen zu Gravitationswellen [1] gelang am 14. September 2015 der erste direkte Nachweis einer Gravitationswelle [2]. Ohne Zweifel ist es damit nun möglich, die Allgemeine Relativitätstheorie (ART) in vollem Umfang physikalisch zu nutzen. Dazu gehört es, Schwarze Löcher detailliert zu erforschen. Diese Objekte sind eine spektakuläre Vorhersage der ART und gleichzeitig die Quelle der bisher beobachteten Gravitationswellen. Diese wurden – analog zu anderen astronomischen Ereignissen wie Supernova-Explosionen – nach dem Datum ihrer Entdeckung GW150914 [3] und GW151226 [4] benannt. Um die winzigen Signale aufzufinden, waren analytische Modelle ausschlaggebend, welche die möglichen Gravitationswellen mathematisch beschreiben. Die Modellierung im Fall zweier verschmelzender Schwarzer Löcher wird im Folgenden erklärt.

Die Newtonsche Theorie beschreibt physikalische Vorgänge in Gravitationsfeldern mit bemerkenswerter Genauigkeit. Erst in ,,exotischen“ Bereichen, beispielsweise bei sehr großen Feldstärken, finden sich Abweichungen von dieser Beschreibung. Als Ausgangspunkt für die explizite analytische Lösung der Feldgleichun­gen der ART liegt es nahe, die Newtonschen Gleichun­gen zu verwenden [5]. Denn die Feldgleichungen der ART verallgemeinern die Newtonschen Potential- und Bewegungsgleichungen und gehen im Grenzfall einer unendlich großen Lichtgeschwindigkeit (c → ∞) in diese über...

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Stefan Jorda
02 / 2017 Seite 24
Pro-Physik-Mitglieder

Im Rauschen lauschen

Wenige Kilometer von Pisa entfernt verlasse ich die Auto­bahn bei der Kleinstadt Cascina. Die Gegend wird landwirtschaftlich genutzt, ein Bauer fährt mit einem Traktor über ein trockenes Feld. In der Ferne scheint eine Pipeline die Felder zu queren. Aus der Nähe entpuppt sich die vermeintliche Leitung als niedriges langes Bauwerk mit weißen Seitenwänden und blauem Wellblechdach. Ich nähere mich dem Gravitationswellendetektor VIRGO. Unter den Blechdächern verbergen sich zwei jeweils drei Kilometer lange Arme eines Laserinterferometers, das vor allem Physiker aus Italien und Frankreich gebaut haben.

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...

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Thomas W. Baumgarte
04 / 2016 Seite 16
Pro-Physik-Mitglieder

Gravitationswellen gefasst!

Mit Hilfe der beiden LIGO-Detektoren ist es erstmals gelungen, Gravitationswellen direkt zu messen.

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Thomas W. Baumgarte
06 / 2015 Seite 39

Simuliertes Verschmelzen

Rechtzeitig zum hundertsten Geburtstag der Allgemeinen Relativitätstheorie hat ihre numerische Behandlung enorme Fortschritte gemacht. Mit neuen Methoden ist es jetzt möglich, Szenarien zu simulieren, die mit analytischen Methoden unzugänglich sind − zum Beispiel die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher.

Kurz zusammengefasst beschreibt die Allgemeine Relativitätstheorie (ART) Gravitation mit Hilfe der Krümmung der Raumzeit. Oder, wie John Wheeler es eloquent beschrieben hat, „Matter tells spacetime how to curve, and curved spacetime tells matter how to move.“ Mathematisch ist dies ausgedrückt in der Einsteinschen Feldgleichung1)

deren hundertsten Geburtstag wir dieses Jahr feiern. Leider ist dieses Juwel einer Gleichung für Nichtspezialisten etwas unzugänglich. Für den Rahmen dieses Artikels müssen wir sie aber zum Glück nicht im Detail verstehen.Auf den ersten Blick scheinen die beiden Gleichungen nicht viel gemeinsam zu haben (genau genommen nur π und G), aber sie sind tatsächlich eng verwandt. Die Dichte ρ spielt die Rolle einer Quelle auf der rechten Seite der Poisson-Gleichung (2); in der Einstein-Gleichung (1) wird die Dichte ausgedrückt durch den Energie-Impuls-Tensor Tab. Auf der linken Seite der Poisson-Gleichung ist der Laplace-Operator =2 eine Abkürzung für zweite (räumliche) Ableitungen des Gravitationspotentials , dem fundamentalen Objekt in der Newtonschen Gravitationstheorie. Das fundamentale Objekt in der ART ist die Raumzeit-Metrik gab, und tatsächlich befinden sich zweite Ableitungen der Metrik auf der linken Seite der Feldgleichung (1) − diese sind allerdings gut versteckt im Einstein-Tensor Gab. Stattdessen vergleichen wir sie mit ihrem Newtonschen Cousin, der Poisson-Gleichung

...

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Michael Kramer und Norbert Wex
06 / 2015 Seite 31

Präzisionstests mit Pulsaren

Ähnlich zu elektromagnetischen Wellen sollten auch Gravitationswellen existieren, die sich mit Licht­geschwindigkeit ausbreiten. Auch wenn diese Wellen bislang nicht direkt beobachtet wurden, steht ihre Existenz inzwischen außer Frage. Der indirekte Nachweis gelang mithilfe von kosmischen „Leuchttürmen“, den Pulsaren. Ihr Bahnumlauf beschleunigt sich messbar, da sie aufgrund der Abstrahlung von Gravitations­wellen Bahnenergie verlieren.

Am 18. November 1915 zeigte Albert Einstein, dass seine Allgemeine Relativitätstheorie (ART) auf natürliche Weise die beobachtete Periheldrehung des Merkur erklärt. Die Lösung dieses seit 1859 ungelös­ten Problems der Himmelsmechanik gelang Einstein bereits eine Woche, bevor er die ART als abgeschlossen erklären konnte, und markiert die erste ­experimentelle Überprüfung der Theorie. In demselben Beitrag schlug er des Weiteren die Lichtablenkung im Gravitationsfeld der Sonne und die Gravitationsrotverschiebung von Spektrallinien als Tests der ART vor. Der erste Nachweis der Lichtablenkung glückte ein paar Jahre später während der totalen Sonnenfinsternis am 29. Mai 1919. Die damalige Messung wies zwar noch eine recht große Unsicherheit von rund 15 Prozent auf, entschied aber zugunsten der ART, die verglichen mit der Newtonschen Theorie den doppelten Ablenkwinkel vorhersagt. Heute ist die Ablenkung an der Sonne am besten mittels der Radiostrahlung von Quasaren nachgewiesen. Die Vermessung der Quasar-Positionen mit der VLBI-Methode stimmt im Rahmen der Messgenauigkeit von etwa 10–4 mit der ART überein.

Die Krümmung der Raumzeit durch die Masse der Sonne lenkt aber nicht nur das Licht ferner Sterne ab, sondern verlängert auch die Laufzeit elektromagnetischer Wellen. Den besten Nachweis dieser sog. Shapiro-Laufzeitverzögerung ermöglichten 2002 die Telemetrie-Daten der Cassini-Sonde, die den Planeten Saturn umkreist. Sie erreichte eine relative Genauigkeit von etwa 10–5. Als besonders schwierig stellte es sich heraus, die Gravitationsrotverschiebung in den Spektrallinien der Sonne zu beobachten, und zwar aufgrund nichtgravitativer Einflüsse wie Plasmaströmungen in der Photosphäre. Mit hoher Präzision gelang der Nachweis der Rotverschiebung erst mit dem Mößbauer-Effekt sowie Atomuhren...

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Roman Schnabel, Gerhard Heinzel, Harald Lück, Benno Willke und Karsten Danzmann
10 / 2009 Seite 33

Wellen aus dem Rauschen fischen

Nach der Allgemeinen Relativitätstheorie können beschleunigte Massen Wellen der Raumzeit hervor­rufen. Diese Gravitationswellen bewirken aber so kleine Längenänderungen, dass es bis heute nicht gelungen ist, sie direkt zu beobachten. Die dafür erforderlichen Teleskope werden Laserinterferometer mit viele Kilo­meter langen Armen sein. Trotz dieser makroskopischen Ausmaße ist dabei die Quantenphysik zu berücksichtigen. Nur mit modernster Physik lässt sich daher die Gravitationswellenastronomie realisieren.

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Maike Keuntje
09 / 2008 Seite 30

Forschen am Quantenlimit

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Bernd Brügmann
06 / 2006 Seite 16

Schwarze Löcher in Bewegung

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Domenico Giulini
10 / 2005 Seite 27

Einsteins Kunstwerk

Einsteins originellste wissenschaftliche Leistung ist sicher die Allgemeine Relativitätstheorie. Auch 90 Jahre nach ihrer Aufstellung ist sie Gegenstand innovativer und spannender Experimente. Neben einer Darstellung der charakteristischen Grundzüge der ART und ihrem Verhältnis zu Newtonschen Konzepten soll hier ein Überblick über einige Beobachtungs­resultate geboten werden.

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Jürgen Ehlers
07 / 2002 Seite 43

Aktuelle Probleme der Gravitationsphysik

Während Einsteins Gravitationstheorie, die Allgemeine Relativitätstheorie, nach spektakulären Anfangserfolgen zwischen 1915 und 1919 für lange Zeit ein vom Hauptstrom der physikalischen Forschung getrenntes Gebiet blieb, gelang es ab 1960, mehrere ihrer Voraussagen durch Beobachtungen und Experimente mit wachsender Genauigkeit zu überprüfen. In den letzten 30 Jahren ist die Allgemeine Relativitätstheorie zu einem integralen Bestandteil der Astrophysik geworden. Ein aktuelles Forschungsgebiet betrifft Gravitationslinsen, und der direkte Nachweis von Gravitationswellen wird mit Spannung erwartet.

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Peter Aufmuth und Karsten Danzmann
01 / 2002 Seite 33

Auftakt zum Konzert der Sterne

Südlich von Hannover liegt eine astronomische Station der besonderen Art. Sie besteht nicht aus gewölbten Kuppeln oder riesigen Parabolantennen, sondern aus zwei 600 Meter langen rechtwinklig angeordneten Röhren: das Gravitationswellenobservatorium GEO 600. Das Instrument stellt einen Horchposten ins All dar. Dem Klang des Universums zu lauschen schien bis vor kurzem ein unerfüllbarer Traum, da sich Schallwellen im interstellaren Raum nicht ausbreiten können. Aber Einstein hat uns gelehrt, dass auch der Raum selbst erzittert, wenn der Knall nur heftig genug ist.

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News

Panorama

Ausgezeichnete Gravitationswellenforschung

20.07.2017 - Karl-Schwarzschild-Preis geht an Luciano Rezzolla.

Forschung

Otto-Hahn-Preis 2017 geht an Gravitationswellenforscher

13.07.2017 - Karsten Danzmann für Entwicklung der Laserinterferometrie ausgezeichnet.

Forschung

Tschüss, Pfadfinderin LISA!

19.07.2017 - Die Mission LISA Pathfinder ist nach 16 Monaten erfolgreichen Betriebs im Orbit abgeschaltet worden.

Forschung

LISA auf dem rechten Pfad

03.12.2015 - LISA Pathfinder ist erfolgreich gestartet und soll die Technologie für den Nachweis von Gravitationswellen im All testen.

Forschung

LISA auf den rechten Pfad gebracht

04.09.2015 - Die Demonstrator-Mission für das geplante Gravitationswellen-Observatorium LISA befindet sich nach Belastungstests auf dem Weg zum Weltraumbahnof.

Forschung

Preisregen für Gravitationswellenforscher

11.05.2016 - Ronald Drever, Kip Thorne, Rainer Weiss und das LIGO-Team erhalten den diesjährigen Gruber-Preis für Kosmologie sowie den Special Breakthrough Prize in Fundamental...

Forschung

Neuer Preis und neue Gravitationswelle

02.06.2017 - Der Körber-Preis für die Europäische Wissenschaft 2017 geht an den Physiker Karsten Danzmann.

Forschung

Nachweis nach 100 Jahren

12.02.2016 - Die beiden LIGO-Detektoren haben das Gravitationswellensignal von zwei verschmelzenden Schwarzen Löchern nachgewiesen.

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